電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）前段時(shí)間在村田的媒體交流會(huì)上，我們了解到了村田推出的一種“埋容”方案。以往的電容都需要貼片到主板或者芯片基板上，而村田推出了一種創(chuàng)新方案，將電容集成到PCB內(nèi)部，無須與傳統(tǒng)封裝一樣占據(jù)PCB表面空間，村田稱之為Integrated Package Solution（內(nèi)置埋容解決方案）。

內(nèi)置埋容采用了疊層工藝，實(shí)際上也是與貼片電容一樣，是由不同層和不同材料組合的產(chǎn)品。而其中一個(gè)特點(diǎn)是通孔，可以直接連接埋容的頂部和底部電極，埋容電容內(nèi)部有許多通孔結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)垂直供電，縮短封裝內(nèi)供電距離，從而降低損耗。

實(shí)際上，除了電容之外，功率器件也有嵌入到PCB內(nèi)的封裝。

功率器件嵌入到PCB有什么好處

以功率模塊為例，目前在電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器上的功率模塊，基本上是注塑式或是框架式封裝。由于功率芯片在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此大多數(shù)都使用高導(dǎo)熱和電氣絕緣的基板，將功率芯片焊接在基板上，比如覆銅陶瓷基板等，以實(shí)現(xiàn)良好的芯片散熱。

這種基于陶瓷基板的功率模塊，其中的芯片只能通過陶瓷表面覆銅進(jìn)行單層布線，并采用架空鍵合線等方式實(shí)現(xiàn)電路連接，這種連接方式使得電氣性能和散熱受到了很大的限制，特別是降低換流回路和柵極控制回路的雜感和芯片間的熱耦合方面。

緯湃科技此前在一場研討會(huì)上表示，在電氣性能方面，PCB具有天然的優(yōu)勢，比如可以進(jìn)行多層布線，通過控制線間距及層間距減少EMC的影響；PCB使用的絕緣材料可以滿足400V至1000V高壓絕緣的要求；埋入PCB的電子器件可以通過高散熱材料和合理的散熱層設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)秀的散熱性能。因此PCB嵌入功率芯片的技術(shù)用于功率模塊封裝具有極大的性能潛力。

根據(jù)緯湃的技術(shù)評(píng)估數(shù)據(jù)，首先在通過電流的能力上，傳統(tǒng)封裝的功率模塊大概是每29平方毫米芯片101A，而PCB嵌入式功率模塊中每29平方毫米芯片是142A，單位通流能力提升約40%，這也意味著相同電流輸出的情況下，功率芯片用量可以減少三分之一。在相同的功率輸出要求下，功率模塊的物料成本可以降低20%。

具體到逆變器的應(yīng)用中，以800V逆變器、采用SiC功率芯片為例，逆變器采用嵌入式封裝SiC模塊后，相比采用框架式封裝的SiC模塊，逆變器的WLTC循環(huán)損耗減少60%，同時(shí)還能降低逆變器尺寸。

對(duì)于主驅(qū)逆變器，一個(gè)比較重要的指標(biāo)是可靠性和使用壽命，緯湃科技目前已經(jīng)開發(fā)了基于400V和800V系統(tǒng)采用PCB嵌入式封裝的SiC模塊樣品，而對(duì)樣品進(jìn)行的AQG324關(guān)鍵可靠性驗(yàn)證中顯示，PCB嵌入式封裝的設(shè)計(jì)壽命可達(dá)傳統(tǒng)封裝的數(shù)倍。其中800V的SiC模塊樣品中，每個(gè)功率開關(guān)使用了8顆面積為20平方毫米的功率芯片，半橋PCB尺寸為70mm×40mm，模塊雜散電感1nH以下，壓擺率超過每微秒25kV，單相輸出電流峰值有效值達(dá)到850A。

PCB嵌入式封裝的實(shí)現(xiàn)方式

要將功率器件嵌入到PCB內(nèi)，對(duì)PCB的材料和制造工藝也提出了更高的要求，比如需要PCB材料需要具備良好的熱導(dǎo)性，能夠承受高電壓和大電流，同時(shí)具有低電阻和低寄生電感特性，以減少功率損耗；PCB材料還必須具有良好的絕緣性能，以確保器件之間的電氣隔離，防止短路和擊穿等。因此也需要PCB廠商的密切配合才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的PCB嵌入式封裝功率器件。

深南電路封裝專利示意圖 來源：專利之星CN 118173455 A

今年2月，深南電路申請了一項(xiàng)名為“一種功率芯片埋入式的封裝基板及封裝方法”的專利，并在6月公開。如上圖所示，1是裸芯片、2是剛性襯底、3是第一芯板、4是絕緣層、5是第一外連金屬層、6是金屬層表面盲孔、7是連接柱、8是第一內(nèi)連金屬層。

在這份專利中描述了這種封裝的步驟：首先獲取第一芯板，在第一芯板上開設(shè)沿厚度方向貫穿的通槽；將裸芯片固定在剛性襯底上；將裸芯片和剛性襯底整體嵌入到第一芯板的通槽中；在第一芯板上壓合絕緣層，絕緣層覆蓋通槽內(nèi)的裸芯片；在絕緣層上形成第一外連金屬層；從第一外連金屬層的表面加工多個(gè)盲孔，盲孔實(shí)現(xiàn)裸芯片和剛性襯底與所述第一外連金屬層三維垂直互聯(lián)，使得裸芯片直接通過盲孔扇出信號(hào)，減小信號(hào)傳輸路徑，降低傳輸損耗。裸芯片封裝在第一芯板內(nèi)，為第一芯板表面釋放空間，能夠貼裝更多電子元器件，減小封裝體的占用空間。

來源：樊嘉杰，錢弈晨. 一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設(shè)計(jì)方法

除了嵌入PCB之外，2022年的時(shí)候，中科院微電子所侯峰澤副研究員和復(fù)旦大學(xué)樊嘉杰青年研究員也提出了一種基于基板埋入技術(shù)的新型SiC功率模塊封裝及可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：采用新型光敏成型介質(zhì)（PID），通過光刻工藝制備SiC MOSFET功率器件電極上的互連盲孔；基于板級(jí)物理氣相沉積（PLPVD）技術(shù)批量更改SiC MOSFET等功率器件電極上的金屬；通過雙面再布線層（DSRDL）工藝替代功率器件的傳統(tǒng)鍵合技術(shù)。

最終效果從上圖b可以看到，基板埋入封裝體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TO-247封裝的分立器件。


小結(jié)：

功率器件采用PCB嵌入式封裝后，電路布局設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)封裝更加靈活，能夠極大提高開發(fā)效率。同時(shí)也能大幅縮小整體系統(tǒng)體積，比如在逆變器中的應(yīng)用，同樣輸出功率需求下，降低功率芯片用量，為系統(tǒng)帶來整體的成本效益。還有另一個(gè)好處是，一些高級(jí)電路拓?fù)洌缛娖健?a target="_blank">IGBT/SiC MOSFET混并等方案，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、采用元器件數(shù)量較多，傳統(tǒng)封裝在電動(dòng)汽車逆變器領(lǐng)域還應(yīng)用較少，但未來通過更靈活的PCB嵌入式封裝，可能會(huì)推動(dòng)這些拓?fù)湓谥黩?qū)逆變器領(lǐng)域的應(yīng)用落地。